JP6702673B2 - Inversion metamorphic multijunction solar cell with multiple metamorphic layers - Google Patents
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Description
本発明は、III−V族半導体化合物に基づく多接合型ソーラーセルの分野と、変成層を含む5及び6接合のソーラーセル構造用の製造工程及び素子とに関する。このような素子のいくつかの実施形態はまた、反転変性多接合型ソーラーセルとして知られている。さらに具体的には、本発明は欧州特許公開第2610924号の開示に基づいており、その内容は参照により本明細書に組み込まれている。 The present invention relates to the field of multi-junction solar cells based on III-V semiconductor compounds and to manufacturing processes and devices for 5- and 6-junction solar cell structures containing metamorphic layers. Some embodiments of such devices are also known as inverted modified multijunction solar cells. More specifically, the present invention is based on the disclosure of European Patent Publication No. 2610924, the contents of which are incorporated herein by reference.
ソーラーセルとも呼ばれる光電池セル由来のソーラーパワーは、主にシリコン半導体技術により提供されてきた。しかしながら過去数年で、宇宙用途のIII−V族化合物半導体の多接合型ソーラーセルの大量生産が、宇宙での用途だけではなく地上でのソーラーパワー用途にもこの技術の発展を加速してきた。シリコンと比べて、III−V族化合物半導体の多接合型素子はより大きな変換効率と一般的により高い放射線耐性を有するが、製造がより複雑になる傾向がある。III−V族化合物半導体の多接合型ソーラーセルの種々の態様は、欧州特許公開第2610924号で論じられている。 Solar power derived from photovoltaic cells, also called solar cells, has been provided primarily by silicon semiconductor technology. However, in the past few years, the mass production of multijunction solar cells of III-V compound semiconductors for space applications has accelerated the development of this technology not only for space applications but also for terrestrial solar power applications. Compared to silicon, III-V compound semiconductor multi-junction devices have greater conversion efficiency and generally higher radiation resistance, but tend to be more complex to manufacture. Various aspects of III-V compound semiconductor multi-junction solar cells are discussed in EP-A-2610924.
III−V族化合物半導体層に基づく反転変成型ソーラーセルの構造は、M.W.ワンラス他の「高性能III−V族光起電力エネルギー変換器用の格子不整合手法」(2005年1月3−7日、第31回IEEE光起電力専門家会議・会議録、IEEEプレス、2005年)に記載されるように、将来の商業的な高効率ソーラーセルの発展のための重要な概念的出発点を提示する。しかしながら、このような参考文献に提案され記載される多くの異なるセル層用の材料及び構造は、材料及び製造ステップの適切な選択に関して多くの実際的困難を提示している。 The structure of the inverted transformation solar cell based on the III-V compound semiconductor layer is described in M. W. Wanglas et al., "Lattice Mismatch Techniques for High-Performance III-V Photovoltaic Energy Converters" (January 3-7, 2005, 31st IEEE Photovoltaic Experts Meeting/Proceedings, IEEE Press, 2005). , Presenting important conceptual starting points for the future development of commercial high efficiency solar cells. However, the materials and structures for many different cell layers proposed and described in such references present many practical difficulties with the proper choice of materials and manufacturing steps.
例えば、欧州特許公開第2610924号に記載される開示以前は、先行技術に開示される材料及び製造ステップには、商業的に確立された製造工程を用いて商業的に実行可能な反転変成型ソーラーセルを生産する上での種々の欠点及び不都合があった。 For example, prior to the disclosure set forth in EP-A-2610924, the materials and manufacturing steps disclosed in the prior art include commercially viable inverted deformed solar using commercially established manufacturing processes. There have been various drawbacks and inconveniences in producing cells.
本発明は、請求項1に規定される多接合型ソーラーセルと、請求項14に規定される方法とに関する。いくつかの実施形態を従属請求項に規定する。 The invention relates to a multijunction solar cell as defined in claim 1 and a method as defined in claim 14. Some embodiments are defined in the dependent claims.
欧州特許公開第2610924号は、2つ又はそれ以上の変成層を利用する多接合型ソーラーセルを記述する。欧州特許公開第2610924号の段落[0038]−[0064]に言及することができる。例えば、欧州特許公開第2610924号は、第1の禁制帯幅を有してそのベース−エミッタ接合がホモ接合である上部第1ソーラーサブセルと、第1ソーラーサブセルに隣接して第1禁制帯幅より小さい第2禁制帯幅を有する第2ソーラーサブセルと、第2ソーラーサブセルに隣接して第2禁制帯幅より小さい第3禁制帯幅を有する第3ソーラーサブセルとを含む、多接合型ソーラーセルを記載する。第1組成傾斜中間層は第3ソーラーサブセルに隣接して設けられ、第1組成傾斜中間層層は第3禁制帯幅より大きい第4禁制帯幅を有する。第4ソーラーサブセルは第1組成傾斜中間層に隣接して設けられ、第4サブセルが第3サブセルに対して格子不整合であるように、第4サブセルは第3禁制帯幅より小さい第5禁制帯幅を有する。第2組成傾斜中間層は第4ソーラーサブセルに隣接して設けられ、第2組成傾斜中間層は第5禁制帯幅より大きい第6禁制帯幅を有し、下層の第5ソーラーサブセルは第2組成傾斜中間層に隣接して設けられ、第5サブセルが第4サブセルに対して格子不整合であるように、下層の第5サブセルは第5禁制帯幅より小さい第7禁制帯幅を有している。例えば、欧州特許公開第2610924号は、5及び6接合型ソーラーセルとそれらを形成する方法とを記載する。これらすべての教示内容は参照により本明細書に組み込まれている。 EP-A-2610924 describes a multi-junction solar cell utilizing two or more metamorphic layers. Reference may be made to paragraphs [0038]-[0064] of EP-A 2610924. For example, European Patent Publication No. 2610924 discloses an upper first solar subcell having a first band gap and its base-emitter junction being a homojunction, and a first band gap adjacent to the first solar subcell. A multi-junction solar cell including a second solar subcell having a smaller second forbidden band width and a third solar subcell having a third forbidden band smaller than the second forbidden band width adjacent to the second solar subcell. Enter. The first composition-graded intermediate layer is provided adjacent to the third solar subcell, and the first composition-graded intermediate layer layer has a fourth band gap that is larger than the third band gap. A fourth solar subcell is provided adjacent to the first compositionally graded intermediate layer, and the fourth subcell has a fifth forbidden band smaller than the third forbidden band width so that the fourth subcell is lattice mismatched to the third subcell. Has a band width. The second composition gradient intermediate layer is provided adjacent to the fourth solar subcell, the second composition gradient intermediate layer has a sixth forbidden band width larger than the fifth forbidden band width, and the lower fifth solar subcell has a second forbidden band. The lower fifth subcell has a seventh forbidden band width smaller than the fifth forbidden band width so that the fifth subcell is provided adjacent to the compositionally graded intermediate layer and has a lattice mismatch with the fourth subcell. ing. For example, EP-A-2610924 describes 5 and 6 junction solar cells and methods of forming them. The teachings of all of these are incorporated herein by reference.
いくつかの実施形態では、第1組成傾斜中間層の禁制帯幅がおよそ1.6eVで実質的に一定で、第2組成傾斜中間層の禁制帯幅がおよそ1.1eVで実質的に一定であることが有利である。本開示の付加的な態様、利点、及び新しい特徴は、以下の詳細な説明を含め本開示か、並びに本開示の実施によって、当業者には明らかであろう。本開示を好ましい実施形態に関して以下に説明するが、本開示はそれに限定されるものでないことを理解されたい。本明細書の教示内容を利用できる当業者は、本明細書に開示され請求される開示の範囲内にあって本開示が利用できる付加的な用途、変更、及び他分野での実施形態を認識するであろう。本発明が適用可能な種々の多接合型ソーラーセルとそれらを製造する方法とは、欧州特許公開第2610924号に開示されている。 In some embodiments, the bandgap of the first composition graded intermediate layer is substantially constant at about 1.6 eV and the bandgap of the second composition graded intermediate layer is substantially constant at about 1.1 eV. It is advantageous to have Additional aspects, advantages, and new features of the disclosure will be apparent to those skilled in the art from this disclosure, including the following detailed description, and the practice of this disclosure. Although the present disclosure is described below with respect to preferred embodiments, it should be understood that the present disclosure is not limited thereto. Those of ordinary skill in the art, having the benefit of the teachings herein, will appreciate additional applications, modifications, and other field embodiments within the scope of the disclosures disclosed and claimed herein, for which the disclosures can be utilized. Will do. Various multijunction solar cells to which the present invention is applicable and methods of making them are disclosed in EP-A-2610924.
本発明は、以下の添付図面と合わせて考察する場合、以下の詳細な説明を参照することでより良く、より十分に理解されるであろう。 The invention will be better and more fully understood by reference to the following detailed description when considered in conjunction with the following accompanying drawings.
また、欧州特許公開第2610924号の図1、3A−3C及び5−25と、関連文書にも言及する。 Reference is also made to European Patent Publication No. 2610924, FIGS. 1, 3A-3C and 5-25, and related documents.
(用語集)
「III−V族化合物半導体」は、周期律表のIII族から少なくとも1つの元素と周期律表のV族から少なくとも1つの元素とを使用して形成される化合物半導体を指す。III−V族化合物半導体には、2元、3元及び4元化合物が含まれる。III族には、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)及びタリウム(T)が含まれる。V族には、窒素(N)、リン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)及びビスマス(Bi)が含まれる。
(Glossary)
"III-V compound semiconductor" refers to a compound semiconductor formed using at least one element from Group III of the Periodic Table and at least one element from Group V of the Periodic Table. Group III-V compound semiconductors include binary, ternary and quaternary compounds. Group III includes boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In) and thallium (T). Group V includes nitrogen (N), phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb) and bismuth (Bi).
「禁制帯幅」は、半導体材料の価電子帯の頂上と伝導帯の底とを隔てるエネルギー差(例えば、電子ボルト(eV)単位で)を指す。 "Forbidden band width" refers to the energy difference (eg, in electron volts (eV)) that separates the top of the valence band and the bottom of the conduction band of a semiconductor material.
「化合物半導体」は、2つ又はそれ以上の化学元素を用いて形成される半導体を指す。 “Compound semiconductor” refers to a semiconductor formed using two or more chemical elements.
組成傾斜中間層−「変成層」を参照のこと。 Compositionally graded interlayer-see "metamorphic layer".
「反転変成多接合型ソーラーセル」又は「IMMソーラーセル」は、通常は最終的な配置構成で太陽放射に直面する「トップ」サブセルである、より高い禁制帯幅のサブセルを、より低い禁制帯幅のサブセルの堆積又は成長の前に、成長基板上に堆積又は成長させるために、サブセルを基板上に「逆」順に堆積又は成長させるソーラーセルを指す。 An "inverted metamorphic multijunction solar cell" or "IMM solar cell" is a higher forbidden band subcell, a lower forbidden band, which is the "top" subcell that normally faces solar radiation in its final configuration. Refers to a solar cell in which the subcells are deposited or grown in "reverse" order on a substrate for deposition or growth on a growth substrate prior to deposition or growth of width subcells.
「層」は、半導体又は他材料の比較的に平坦なシート又は膜を指す。例えばエピタキシャル又は他の技術により、層を堆積又は成長させる場合がある "Layer" refers to a relatively flat sheet or film of semiconductor or other material. Layers may be deposited or grown, for example by epitaxial or other techniques
「格子不整合」は、互いに異なる格子定数を有する2つの隣接配置された材料を指す。 "Lattice mismatch" refers to two adjacently placed materials that have different lattice constants.
「変成層」又は「組成傾斜中間層」は、半導体構造において一般に厚さ全体に亘って格子定数のゆるやかな遷移を達成する層を指す。 "Metamorphic layer" or "compositionally graded intermediate layer" refers to a layer that generally achieves a gradual transition in lattice constant throughout its thickness in a semiconductor structure.
「多接合型ソーラーセル」は、2つ又はそれ以上の離散的で異なるp−n接合を含み、その各々を光の異なる波長に同調させることのできる、ソーラーセルを指す。 “Multijunction solar cell” refers to a solar cell that includes two or more discrete and distinct pn junctions, each of which can be tuned to a different wavelength of light.
本発明の詳細を、以下に例示的な態様及び実施形態を含めて説明する。 The details of the invention are described below, including exemplary aspects and embodiments.
反転変成多接合型(IMM)ソーラーセルを製造する基本概念は、基板上に「逆」順にソーラーセルのサブセルを成長させることである。すなわち、通常は太陽放射に直面する「トップ」サブセルである、高い禁制帯幅のサブセル(つまり、1.8〜2.2eV範囲の禁制帯幅を有するサブセル)を、例えばGaAs又はGeなどの半導体成長基板上にエピタキシャル成長させ、その結果としてサブセルはそのような基板に格子整合する。1つ又はそれ以上のより低い禁制帯幅のミドルサブセル(つまり、1.2〜1.8eV範囲の禁制帯幅を有する)を、その後で高い禁制帯幅のサブセル上に成長させることができる。 The basic idea of manufacturing an inverted metamorphic multijunction (IMM) solar cell is to grow the subcells of the solar cell in "reverse" order on a substrate. That is, a high forbidden bandwidth subcell (ie, a subcell having a forbidden bandwidth in the 1.8 to 2.2 eV range), which is the "top" subcell that normally faces solar radiation, is formed into a semiconductor such as GaAs or Ge. It is grown epitaxially on a growth substrate so that the subcells are lattice matched to such a substrate. One or more lower bandgap middle subcells (ie, having a bandgap in the 1.2 to 1.8 eV range) can then be grown on the higher bandgap subcells.
少なくとも1つの下部サブセルが成長基板に対して実質的に格子不整合であるように、且つ、その少なくとも1つの下部サブセルが第3のより低い禁制帯幅(つまり、0.7〜1.2eV範囲の禁制帯幅)を有するように、少なくとも1つの下部サブセルをミドルセル上に形成する。その後で、代用基板又は支持構造体を「ボトム」サブセル又は実質的に格子不整合の下部サブセル上に付着させるか又は用意して、成長用半導体基板を実質的に取り除く。(その後で、成長基板を2つ目以降のソーラーセルの成長用に引き続き再利用することができる。) At least one lower subcell is substantially lattice-mismatched to the growth substrate, and the at least one lower subcell has a third lower bandgap (ie, 0.7-1.2 eV range). A forbidden band width of at least one lower sub-cell is formed on the middle cell. Thereafter, a surrogate substrate or support structure is deposited or provided on the "bottom" subcell or substantially lattice-mismatched lower subcell to substantially remove the growth semiconductor substrate. (The growth substrate can then be subsequently reused for growth of the second and subsequent solar cells.)
欧州特許公開第2610924号の図1は、特定の2元材料の禁制帯幅とその格子定数とを表すグラフである。この図及び関連する記述は、本明細書に参照により組み込まれている。適切な予備知識を提供するために、図1A〜1Hは一般的に4接合型ソーラーセルを形成する一連のステップを示しており、これは2008年11月14日出願の親出願、米国特許出願第12/271,192号に明記され、本明細書に参照により組み込まれている。 FIG. 1 of EP 2610924 is a graph showing the forbidden band width of a particular binary material and its lattice constant. This figure and the associated description are hereby incorporated by reference. To provide a suitable background, FIGS. 1A-1H generally show a series of steps for forming a four-junction solar cell, which is the parent application filed Nov. 14, 2008, US patent application. No. 12/271,192, which is incorporated herein by reference.
欧州特許公開第2610924号に説明されるように、図1AはGaAs成長基板上への3つのサブセルA、B及びCの連続形成を表す。特に、基板101が示されており、基板は好ましくはガリウムヒ素(GaAs)であるが、ゲルマニウム(Ge)又は別の適切な材料でもよい。GaAsについては、基板は好ましくは15度のオフカット基板であり、つまり、2008年3月13日出願の米国特許出願第12/047,944号にさらに十分に記述されるようにその表面は(100)面から(111)A面へ15度配向されている。
As described in EP-A-2610924, FIG. 1A depicts the sequential formation of three subcells A, B and C on a GaAs growth substrate. In particular,
Ge基板の場合には、核生成層(図示せず)を基板101上に直接堆積させる。基板上に、又は核生成層上に(Ge基板の場合)、バッファ層102とエッチストップ層とをさらに堆積させる。GaAs基板の場合には、バッファ層102は好ましくはGaAsである。Ge基板の場合には、バッファ層102は好ましくはGaInAsである。その後、GaAsのコンタクト層104を層103上に堆積させ、AlInPの窓層105をコンタクト層上に堆積させる。n+エミッタ層106とp型ベース層107とから成るサブセルAを、その後で窓層105上にエピタキシャル堆積させる。サブセルAは一般に成長基板101に格子整合している。
In the case of a Ge substrate, a nucleation layer (not shown) is deposited directly on the
多接合型ソーラーセルの構造を、格子定数及び禁制帯幅の要求を条件として、周期律表に記載されるIII〜V族の任意の適切な組み合わせにより形成することができるということに留意されたい。ここでIII族にはホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、及びタリウム(T)が含まれる。IV族には、炭素(C)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、及びスズ(Sn)が含まれる。V族には、窒素(N)、リン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、及びビスマス(Bi)が含まれる。 It should be noted that the structure of the multi-junction solar cell can be formed by any suitable combination of groups III-V listed in the Periodic Table, subject to the requirements of lattice constant and band gap. .. Here, the group III includes boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), and thallium (T). Group IV includes carbon (C), silicon (Si), germanium (Ge), and tin (Sn). Group V includes nitrogen (N), phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), and bismuth (Bi).
一実施形態では、エミッタ層106はGaInPで構成され、ベース層107はAlGaInPで構成される。いくつかの実施形態では、さらに一般的に、ベース−エミッタ接合はヘテロ接合とすることができる。別の実施形態では、ベース層は(Al)GaInPで構成される場合があり、ここで前述の化学式中の括弧内のアルミニウム又はAlの項は随意の構成要素であることを意味しており、この例では0%から30%までの範囲の量で使用することができる。本発明によるエミッタ層106及びベース層107のドーピングプロファイルを、欧州特許公開第2610924号の図20と合わせて、そこで説明された通りとすることができる。
In one embodiment, the
いくつかの実施形態では、ベース層107の禁制帯幅は1.91eV又はそれより大きい。
In some embodiments, the band gap of
サブセルAは、以下に記述する本発明に従う工程ステップ完了後には、最終的に反転変成型構造の「トップ」サブセルになることになる。 Subcell A will ultimately become the "top" subcell of the inverted deformed structure after completion of the process steps according to the invention described below.
ベース層107の上部には、背面電界(「BSF」)層108の好ましくはp+AlGaInPを堆積し、再結合損失を低減するために使用する。
A back surface field (“BSF”)
BSF層108は、ベース/BSF界面近傍の領域から少数キャリアを追い出して再結合損失の影響を最小化する。言い換えれば、BSF層108はソーラーセルサブセルAの背面での再結合損失を低減し、それによってベースでの再結合を低減する。
The
トンネルダイオード、つまりサブセルAとサブセルB間の電気接続を形成するオーミックな回路要素を形づくる、連続する高濃度にドープされたp型及びn型層の109a及び109bを、BSF層108の上部に堆積する。層109aは好ましくはp++AlGaAsで構成され、層109bは好ましくはn++GaInPで構成される。
Deposition of successive heavily doped p-type and n-
トンネルダイオード層109の上部には窓層110を堆積し、好ましくはn+GaInPである。窓層110の材料構成要素としてGaInPを利用する利点は、2008年10月24日出願の国特許出願番号12/258,190号にさらに十分に記載されるように、GaInPが隣接するエミッタ層111とほぼ一致する屈折率を有するということである。サブセルBで使用される窓層110はまた、界面再結合損失を低減させるように作用する。本開示の範囲から逸脱することなく、付加的な層をセル構造に付加すること、又は除去することが可能であることは当業者には明らかであろう。
A
窓層110の上部には、サブセルBの層のn型エミッタ層111とp型ベース層112を堆積させる。これらの層は、好ましくはそれぞれGaInP及びGaIn0.0015As(Ge基板又は成長テンプレートの場合)、又はそれぞれGaInP及びGaAs(GaAs基板の場合)であるが、格子定数及び禁制帯幅の要求と一致する任意の別の適切な材料も同様に使用することができる。このように、サブセルBはGaAs、GaInP、GaInAs、GaAsSb、又はGaInAsNのエミッタ領域と、GaAs、GaInAs、GaAsSb、又はGaInAsNのベース領域とで構成される場合がある。本開示による層111及び112のドーピングプロファイルを、欧州特許公開第2610924号の図20Bと合わせて、そこで説明された通りとすることができる。
On the
いくつかの以前開示された反転変成型ソーラーセルの実施例では、ミドルセルはホモ構造であった。本開示のいくつかの実施形態では、米国特許出願番号12/023,772号に開示される構造と同様に、ミドルサブセルはGaInPエミッタを備えるヘテロ構造となり、その窓層をAlInPからGaInPへ変えている。この変更は、2008年10月24日出願の米国特許出願番号12/258,190号にさらに十分に記載されるように、ミドルサブセルの窓/エミッタ界面での屈折率の不連続性を取り除く。さらに、窓層110を好ましくはエミッタ111の3倍濃度にドープして、フェルミ準位を伝導帯により近づけ、結果として窓/エミッタ界面でのバンド曲がりを作り出し、少数キャリアをエミッタ層に拘束することになる。
In some previously disclosed inverted deformed solar cell examples, the middle cell was a homostructure. In some embodiments of the present disclosure, similar to the structure disclosed in US patent application Ser. No. 12/023,772, the middle subcell is a heterostructure with a GaInP emitter with its window layer changed from AlInP to GaInP. There is. This modification eliminates the refractive index discontinuity at the window/emitter interface of the middle subcell, as more fully described in US patent application Ser. No. 12/258,190, filed October 24, 2008. In addition, the
本開示の一実施形態では、ミドルサブセルのエミッタはトップサブセルのエミッタと等しい禁制帯幅を有し、第3サブセルのエミッタはミドルサブセルのベースの禁制帯幅より大きい禁制帯幅を有する。従って、ソーラーセル製造後の実施及び運用中、ミドルサブセルBのエミッタも第3サブセルCのエミッタも吸収可能な放射光に曝されないことになる。吸収可能な放射光を表す光子のほぼすべてが、エミッタより狭い禁制帯幅を有するセルB及びセルCのベースに吸収されることになる。従って、ヘテロ接合サブセルを利用する利点は、(i)両サブセルに対する短波長応答が向上することになること、及び(ii)放射光の大部分はより効率的に吸収されて狭い禁制帯幅のベースに集められることである。この作用で短絡電流JSCは増加することになる。 In one embodiment of the present disclosure, the middle subcell's emitter has a bandgap equal to that of the top subcell's emitter, and the third subcell's emitter has a bandgap greater than that of the middle subcell's base. Therefore, neither the emitter of the middle subcell B nor the emitter of the third subcell C is exposed to the radiable light that can be absorbed during the implementation and operation after the solar cell is manufactured. Nearly all of the photons representing the absorbable radiation will be absorbed by the bases of cells B and C, which have a narrower bandgap than the emitter. Therefore, the advantages of using a heterojunction subcell are (i) an improved short wavelength response to both subcells, and (ii) a large portion of the emitted light is more efficiently absorbed, resulting in a narrow bandgap. It is to be collected in the base. This action increases the short circuit current J SC .
セルBの上部には、BSF層109と同じ機能を果たすBSF層113を堆積させる。p++/n++トンネルダイオード層の114a及び114bをそれぞれBSF層113上に、層109a及び109bと同様に堆積させ、オーミックな回路要素を形成してサブセルBをサブセルCに接続する。層114aはp++AlGaAsで構成される場合があり、層114bはn++GaAs又はGaInPで構成される場合がある。
A
いくつかの実施形態では、バリア層115はn型の(Al)GaInPで構成され、トンネルダイオード114a/114b上に約0.5μmの厚さまで堆積させる。貫通転位が成長の反対方向のミドルサブセルB及びトップサブセルCの中へ又は成長方向のボトムサブセルAの中へ伝播することを、このようなバリア層が阻止することが意図されており、2007年9月24日出願の同時係属中の米国特許出願番号11/860,183号に詳細に記載されている。
In some embodiments, the
変成層(又は組成傾斜中間層)116をバリア層115上に堆積させる。貫通転位の発生を最小化しつつ、半導体構造における格子定数のサブセルBからサブセルCへの緩やかな遷移を達成するように、層116は好ましくは単調に変化する格子定数を備える、好ましくは組成的に階段状傾斜のついた一連のAlGaInAs層である。いくつかの実施形態では、組成傾斜中間層は(InxGa1-x)yAl1-yAsで構成されるが、中間層の禁制帯幅が実質的に1.6eVで一定又はおよそ1.6eV(例えば、1.55eV〜1.65eVの範囲内)に留まるようにx及びyを選択する。
A metamorphic layer (or compositionally graded intermediate layer) 116 is deposited on the
前掲のワンラス他の論文に記載される反転変成型構造では、変成層は9の組成的に傾斜したGaInPのステップから成り、各ステップ層は0.25μmの厚さを有する。結果として、ワンラス他の各層は異なる禁制帯幅を有する。いくつかの実施形態では、層116は、単調に変化する格子定数を備えて各層がおよそ1.6eVの同じ禁制帯幅を有する、AlGaInAsの複数層で構成される。
In the inverted metamorphic structure described in the Wanrath et al., supra, the metamorphic layer consists of 9 compositionally graded GaInP steps, each step layer having a thickness of 0.25 μm. As a result, each layer of Wanglas et al. has a different bandgap. In some embodiments,
AlGaInAsなどの一定の禁制帯幅の材料を利用する利点は、標準的な市販のMOCVD反応装置での製造の観点から、砒素系の半導体材料はリンを組み込む材料よりも処理がずっと容易であることにあるが、一方でその禁制帯幅の材料中の少量のアルミニウムは変成層の放射光透過性を確実にする。 The advantage of utilizing a constant bandgap material such as AlGaInAs is that arsenic-based semiconductor materials are much easier to process than materials incorporating phosphorus from a manufacturing point of view in standard commercial MOCVD reactors. However, the small amount of aluminum in the bandgap material ensures the radiant transparency of the metamorphic layer.
本開示の一実施形態では製造可能性及び放射光透過性のために変成層116用に複数層のAlGaInAsを利用するが、本開示の別実施形態ではサブセルBからサブセルCへ格子定数を変化させるために異なる材料系を利用する場合がある。本開示の別実施形態では、ステップ状傾斜とは対照的に連続的に傾斜をつけた材料を利用する場合がある。さらに一般的には、組成傾斜中間層は、第2ソーラーセルより大きいか又は等しい、第3ソーラーセルより小さいか又は等しい面内格子定数を備える、及び第2ソーラーセルより大きい禁制帯幅エネルギーを有するという制約を条件として、As、P、N、Sb系のIII−V族化合物半導体のいずれかで構成される場合がある。
Although one embodiment of the present disclosure utilizes multiple layers of AlGaInAs for the
本開示の別実施形態では、随意の第2バリア層をAlGaInAs変成層116上に堆積させる場合がある。第2バリア層117は、通常はバリア層115とは異なる組成を有することになり、貫通転位の伝播を阻止するという同じ機能を本質的に果たす。一実施形態では、バリア層117はn+型のGaInPである。
In another embodiment of the present disclosure, an optional second barrier layer may be deposited on the AlGaInAs
好ましくはn+型のGaInPで構成される窓層118を、その後にバリア層117上(又は第2バリア層がない場合には直接に層116上)に堆積させる。この窓層は、サブセル「C」で再結合損失を低減するように作用する。本開示の範囲から逸脱することなく、付加的な層をセル構造に付加すること、又は除去することが可能であることは当業者には明らかであろう。
A
窓層118の上部には、セルCの層、n+エミッタ層119及びp型のベース層120を堆積させる。これらの層は、好ましくはそれぞれn+型のGaInAs及びp+型のGaInAs、又はヘテロ接合サブセルの場合にはn+型のGaInP及びp型のGaInAsであるが、格子定数及び禁制帯幅の要求と一致する別の適切な材料も同様に使用することができる。層119及び120のドーピングプロファイルは、欧州特許公開第2610924号でその図20に関連して論じられている。
On top of the
好ましくはAlGaInAsで構成されるBSF層121を、その後にセルCの上部に堆積し、そのBSF層はBSF層108及び113と同じ機能を果たす。
A
p++/n++トンネルダイオード層の122a及び122bをそれぞれBSF層121上に、層114a及び114bと同様に堆積させ、オーミックな回路要素を形成してサブセルCをサブセルDに接続する。層122aはp++AlGaInAsで構成され、層122bはn++GaInPで構成される。
The p++/n++
図1Bは、工程ステップの次シーケンス後の図1Aのソーラーセルの断面図を示す。いくつかの実施形態では、バリア層123は好ましくはn型のGaInPで構成され、トンネルダイオード122a/122b上に約0.510μmの厚さまで堆積させる。貫通転位が成長の反対方向のトップサブセル及びミドルサブセルのA、B及びCの中へ又は成長方向のサブセルDの中へ伝播することを、このようなバリア層が阻止することが意図されており、2007年9月24日出願の同時係属中の米国特許出願番号11/860,13号に詳細に記載されている。
FIG. 1B shows a cross-sectional view of the solar cell of FIG. 1A after the next sequence of process steps. In some embodiments, the
変成層(又は組成傾斜中間層)124を、バリア層123上に堆積させる。貫通転位の発生を最小化しつつ、半導体構造における格子定数のサブセルCからサブセルDへの緩やかな遷移を達成するように、層124は好ましくは単調に変化する格子定数を備える、好ましくは組成的に階段状傾斜のついた一連のAlGaInAs層である。層124の禁制帯幅は厚さ全体に亘って一定であり、好ましくはおよそ1.1eVに等しい。組成傾斜中間層の一実施形態は、(InxGa1-x)yAl1-yAsで構成されると表現することができるが、中間層の禁制帯幅がおよそ1.1eVで一定のままであるようにx及びyを選択する。第1組成傾斜中間層116のバンドギャップがおよそ1.6eVで実質的に一定で、第2組成傾斜中間層のバンドギャップがおよそ1.1eVで実質的に一定であることが有利である。
A metamorphic layer (or compositionally graded intermediate layer) 124 is deposited on the
好ましくは、n+型のAlGaInAsで構成される窓層125を、その後で層124上に(或いは層124上に配置させたバリア層がある場合には、もう1つのバリア層の上に)堆積させる。この窓層は、第4サブセル「D]で再結合損失を低減するように作用する。本開示の範囲から逸脱することなく、付加的な層をセル構造に付加すること、又は除去することが可能であることは当業者には明らかであろう。
A
図1Cは、工程ステップの次シーケンス後の図1Bのソーラーセルの断面図を示す。窓層125の上部には、セルDの層、n+エミッタ層126及びp型のベース層127を堆積させる。これらの層は、好ましくはそれぞれn+型のGaInAs及びp型のGaInAsであるが、格子定数及び禁制帯幅の要求と一致する別の適切な材料も同様に使用することができる。層126及び127のドーピングプロファイルは、欧州特許公開第2610924号でその図20に関連して論じられた通りとすることができる。
FIG. 1C shows a cross-sectional view of the solar cell of FIG. 1B after the next sequence of process steps. The cell D layer, the
次に図1Dを見ると、好ましくはp+型のAlGaInAsで構成されるBSF層128を、その後でセルDの上部に堆積させ、そのBSF層はBSF層108、113及び121と同じ機能を果たす。
Referring now to FIG. 1D, a
最終的には、好ましくはp++型のAlGaInAsで構成される高い禁制帯幅のコンタクト層129をBSF層128上に堆積させる。
Finally, a high
多接合型光起電力セルで最も低い禁制帯幅の光起電力セル(つまり、図示された実施形態のサブセル「D」)の底(非照射)側に設置されたこのコンタクト層129の構成を、セルを通過する光の吸収を低減させるように作ることができ、その結果(i)コンタクト層129下(非照射側)の裏面オーミック金属コンタクト層がミラー層としても機能することになり、(ii)吸収を阻止するためにこのコンタクト層を選択的にエッチング除去する必要がない。
The structure of this
本開示の範囲から逸脱することなく、付加的な層をセル構造に付加すること、又は除去することが可能であることは当業者には明らかであろう。 It will be apparent to those skilled in the art that additional layers can be added or removed from the cell structure without departing from the scope of this disclosure.
図1Eは次工程ステップ後の図1Dのソーラーセルの断面図であり、金属コンタクト層130をp+半導体コンタクト層129上に堆積させている。金属は、一連の金属層Ti/Au/Ag/Auである。
FIG. 1E is a cross-sectional view of the solar cell of FIG. 1D after the next process step, with
さらに、選ばれた金属コンタクトの構成は、オーミックコンタクトを活性化する熱処理の後に半導体との平坦な界面を有するものである。これは、(1)半導体から金属を分離する誘電体層を金属コンタクト領域に堆積させて選択的にエッチングする必要がない、(2)コンタクト層は対象の波長範囲に亘って鏡面反射的である、ようにするためである。 Further, the selected metal contact configuration is one that has a flat interface with the semiconductor after heat treatment to activate the ohmic contacts. This means that (1) a dielectric layer that separates the metal from the semiconductor does not need to be deposited and selectively etched in the metal contact region, (2) the contact layer is specular over the wavelength range of interest. , To do so.
図1Fは次工程ステップ後の図1Eのソーラーセルの断面図であり、接着層131を金属層130上に堆積させている。接着材はCR200(米国ミズーリ州ローラのブリューワーサイエンス社製)とすることができる。
FIG. 1F is a cross-sectional view of the solar cell of FIG. 1E after the next process step, with an
次の工程ステップでは、代用基板132、好ましくはサファイアを付着させる。代わりに、代用基板はGaAs、Ge又はSi、或いは別の適切な材料とすることができる。代用基板は厚さが約40milで、後続の接着材及び基板の除去の助けとなるように直径約1mmの穴を4mm間隔で穿孔する。もちろん、別の厚さと穿孔構成とを備える代用基板も同様に使用することができる。接着層131を使用する代わりに、適切な基板(例えば、GaAs)を金属層130に共晶的に又は恒久的に接合することができる。
In the next process step, a
図1Gは次工程ステップ後の図1Fのソーラーセルの断面図であり、一実施形態では、基板101及びバッファ層103を除去する一連のラッピング及び/又はエッチングステップによって元基板を除去している。特定のエッチング液の選択は、成長基板に依存している。
FIG. 1G is a cross-sectional view of the solar cell of FIG. 1F after the next process step, which in one embodiment removes the original substrate by a series of lapping and/or etching steps that remove
前述のように、いくつかの実施形態では、第1組成傾斜中間層116の禁制帯幅がおよそ1.6eV(つまり、1.6eV±3%又は約1.55〜1.65eVの範囲内)で実質的に一定であり、且つ第2組成傾斜中間層124の禁制帯幅がおよそ1.1eV(つまり、1.05〜1.15eVの範囲内)で実質的に一定であることが特に有利である。
As mentioned above, in some embodiments, the band gap of the first composition graded
各素子が2つの異なる組成傾斜中間層を含む、複数の4接合型IMMソーラーセル素子をIMM成長工程により製造した。素子は相互に堆積させた以下の半導体層、1.9eVの禁制帯幅を有するGaInP2の上部ソーラーサブセル(A)と、1.41eVの禁制帯幅を有するGaAsの第2上部ソーラーサブセル(B)と、第2サブセル下のInGaAlAsの第1組成傾斜中間層と、1.02eVの禁制帯幅を有するIn0.285Ga0.715Asの第3ソーラーサブセル(C)と、第3サブセル下のInGaAlAsの第2組成傾斜中間層と、0.67eVの禁制帯幅を有するIn0.57Ga0.43Asの下部ソーラーサブセル(D)とを含んでいた。素子は1.41eVの禁制帯幅を有するGaAs基板を含んでいた。各サンプルでは、第1組成傾斜中間層の禁制帯幅は約1.4eV、1.5eV又は1.6eVで実質的に一定であったのに対して、第2組成傾斜中間層の禁制帯幅は約1.0eV、1.1eV又は1.2eVで実質的に一定であった。高い方の禁制帯幅の組成傾斜中間層を1.41eVの接合と1.02eVの接合との間に配置し、低い方の禁制帯幅の組成傾斜中間層を1.02eVの接合と0.67eVの接合との間に配置した。以下の禁制帯幅の組み合わせを備えるソーラーセルを実働素子に加工した。
セルの性能を測定し、セルの変換効率を図3に示すように計算した。 Cell performance was measured and cell conversion efficiency was calculated as shown in FIG.
第1及び第2組成傾斜中間層に対する禁制帯幅の最適な組み合わせは、第1組成傾斜中間層の禁制帯幅が約1.5eV−1.6eVの範囲にあり、第2組成傾斜中間層の禁制帯幅がおよそ1.1eV(つまり、組み合わせ識別名が5及び6)である場合に生じることを、図3の比較試験データは示している。禁制帯幅のこれらの特定組み合わせは、変換効率の比較的に大きな増加を提供する。これは、変換効率の小さな改善でさえも一般的に重要であると考えられるソーラーセル素子の分野で特に有利である。特に驚くべきことは、第1組成傾斜中間層が1.6eVの禁制帯幅を有し、第2組成傾斜中間層が1.1eVの禁制帯幅を有する素子に対して得られる変換効率の有意な改善である。組成傾斜中間層に対する1.6eV及び1.1eVの禁制帯幅の組み合わせは、4接合型素子はもちろん、5接合型及び6接合型素子に関しても有利な場合がある。一般に、第1組成傾斜中間層が1.6eV(±3%)の禁制帯幅を有し、第2組成傾斜中間層が1.1eV(±3%)の禁制帯幅を有することは有利な場合がある。 The optimum combination of the forbidden band widths for the first and second compositionally graded intermediate layers is such that the forbidden band width of the first compositionally graded intermediate layer is in the range of about 1.5eV-1.6eV and The comparative test data in FIG. 3 shows that it occurs when the forbidden band width is approximately 1.1 eV (ie, the combination identifiers 5 and 6). These particular combinations of bandgap provide a relatively large increase in conversion efficiency. This is particularly advantageous in the field of solar cell devices where even a small improvement in conversion efficiency is generally considered important. What is particularly surprising is that the conversion efficiency obtained for a device in which the first compositionally graded intermediate layer has a bandgap of 1.6 eV and the second compositionally graded intermediate layer has a bandgap of 1.1 eV. It is a major improvement. The combination of 1.6 eV and 1.1 eV forbidden band widths for the compositionally graded interlayer may be advantageous for 5-junction and 6-junction devices as well as 4-junction devices. In general, it is advantageous for the first composition graded intermediate layer to have a bandgap of 1.6 eV (±3%) and the second composition graded intermediate layer to have a bandgap of 1.1 eV (±3%). There are cases.
いくつかの実施形態では、組成傾斜中間層の特定の1つを形成する方法には、InGaAlAsで構成される中間層を選択するステップと、x及びyの特定の値により規定される化学式(InxGa1-x)yAl1-yAsという組成物の集合を特定するステップとが含まれ、ここで0<x<1及び0<y<1であり、各組成物は同じ特定の禁制帯幅を有している(例えば、第1組成傾斜中間層に対して1.6eV(±3%)の範囲内の特定値、又は第2組成傾斜中間層に対して1.1eV(±3%)の範囲内の特定値)。特定の組成傾斜中間層を形成する方法にはまた、その組成傾斜中間層の両側について適切な格子定数を、それらがそれぞれ隣接するソーラーサブセルと整合するように特定するステップが含まれる場合がある。特定の組成傾斜中間層を形成する方法にはさらに、x及びyの特定の値により規定される特定の禁制帯幅を有する化学式(InxGa1-x)yAl1-yAsという組成物の部分集合を特定するステップが含まれる場合があり、ここで0<x<1及び0<y<1であり、組成物の部分集合は、組成傾斜中間層の片側のソーラーサブセルと整合する特定された格子定数から、組成傾斜中間層の反対側のソーラーサブセルと整合する特定された格子定数までの範囲に亘る格子定数を備えている。 In some embodiments, a method of forming a specific one of the compositionally graded intermediate layers includes selecting an intermediate layer composed of InGaAlAs and a chemical formula (In defined by a specific value of x and y). x Ga 1-x ) y Al 1-y As identifying a set of compositions, where 0<x<1 and 0<y<1, each composition having the same specific inhibition. It has a band width (for example, a specific value within the range of 1.6 eV (±3%) for the first composition gradient intermediate layer, or 1.1 eV (±3% for the second composition gradient intermediate layer). %) A specific value within the range). The method of forming a particular compositionally graded intermediate layer may also include the step of identifying the appropriate lattice constants on both sides of the compositionally graded intermediate layer such that they are matched to their respective adjacent solar subcells. The method of forming a specific compositionally graded intermediate layer further includes a composition of formula (In x Ga 1-x ) y Al 1-y As having a specific band gap defined by specific values of x and y. May be included, where 0<x<1 and 0<y<1, where the subset of compositions are matched to the solar subcells on one side of the compositionally graded interlayer. From the defined lattice constant to the specified lattice constant that matches the solar subcell on the opposite side of the compositionally graded interlayer.
場合によっては、1つ又はそれ以上のステップをコンピュータプログラムにより実行することができる。例えば、x及びyの特定の値により規定される化学式(InxGa1-x)yAl1-yAsという組成物の集合であって、各組成物は同じ特定の禁制帯幅(例えば、1.6eV±3%の範囲にある特定値)を有する組成物の集合を特定するステップには、コンピュータプログラムの利用が含まれる場合がある。同様に、x及びyの特定の値により規定される化学式(InxGa1-x)yAl1-yAsという組成物の部分集合であって、組成物の部分集合は組成傾斜中間層の片側のソーラーサブセルと整合する特定された格子定数から、組成傾斜中間層の反対側のソーラーサブセルと整合する特定された格子定数までの範囲に亘る格子定数を備えている組成物の部分集合を特定するステップには、コンピュータプログラムの利用が含まれる場合がある。 In some cases, one or more steps may be performed by a computer program. For example, a collection of the formula defined by a particular value of x and y (In x Ga 1-x ) composition of y Al 1-y As, the composition same specific bandgap (e.g., The step of identifying a set of compositions having a specific value in the range of 1.6 eV±3%) may include utilizing a computer program. Similarly, the formula defined by a particular value of x and y be a subset of (In x Ga 1-x) composition of y Al 1-y As, the composition subset of compositionally graded intermediate layer Identify a subset of compositions with lattice constants that range from a specified lattice constant that matches the solar subcell on one side to a specified lattice constant that matches the solar subcell on the opposite side of the compositionally graded interlayer The step of performing may include utilizing a computer program.
この製造方法は、第1、第2又は他の組成傾斜中間層として連続的に組成傾斜した中間層を形成するために、In、Ga及びAlの各々のモル分率を精確に制御し漸増的に調整するステップを含むことができる。組成傾斜中間層の特定の1つを形成する方法はまた、ガリウム、インジウム、アルミニウム及びヒ素のソースガスの流量を独立して制御するように構成された有機金属気相成長(MOCVD)装置を準備するステップと、反応時間、温度及び各ソースガスに対する流量比を選択して特定の組成傾斜中間層として連続的に組成傾斜した中間層を形成するステップとを含む場合がある。 This manufacturing method precisely controls the mole fraction of each of In, Ga and Al to form a compositionally graded intermediate layer as the first, second or other compositionally graded intermediate layer, and gradually increases it. Adjustment step can be included. A method of forming a particular one of compositionally graded interlayers also provides a metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) apparatus configured to independently control the flow rates of source gases of gallium, indium, aluminum and arsenic. And a step of forming a continuously compositionally graded intermediate layer as a specific compositionally graded intermediate layer by selecting a reaction time, a temperature, and a flow rate ratio to each source gas.
図1Hは、代用基板132が図の底部にくるような向きでの図1Gのソーラーセルの断面図である。
FIG. 1H is a cross-sectional view of the solar cell of FIG. 1G with the
図1Iは、バッファ層とエッチストップ層とをソーラーセルの最上部から除去し、裏面金属コンタクト層を残して代用基板を除去する次工程ステップ後の図1Hのソーラーセルの断面図である。 FIG. 1I is a cross-sectional view of the solar cell of FIG. 1H after the next process step of removing the buffer layer and the etch stop layer from the top of the solar cell, leaving the backside metal contact layer and removing the surrogate substrate.
図2Aは、欧州特許公開第2610924号の図4に対応した、成長基板上への特定半導体層の堆積を含む製造の初期段階後の、3つの変成層を利用した6接合型ソーラーセルを表す、本開示の一実施形態のソーラーセルの断面図である。 FIG. 2A represents a six-junction solar cell utilizing three metamorphic layers, after an initial stage of manufacturing, which corresponds to FIG. 4 of EP 2610924, including the deposition of specific semiconductor layers on a growth substrate. 1 is a cross-sectional view of a solar cell according to an embodiment of the present disclosure.
図2Bは、欧州特許公開第2610924号の図3Bに対応した、成長基板上への特定半導体層の堆積を含む製造の初期段階後の、2つの変成層を利用した5接合型ソーラーセルを表す、本開示の一実施形態のソーラーセルの断面図である。 FIG. 2B represents a five-junction solar cell utilizing two metamorphic layers after the initial stage of manufacturing, which corresponds to FIG. 3B of EP 2610924, including the deposition of specific semiconductor layers on a growth substrate. 1 is a cross-sectional view of a solar cell according to an embodiment of the present disclosure.
図2Cは、欧州特許公開第2610924号の図3Cに対応した、成長基板上への特定半導体層の堆積を含む製造の初期段階後の、2つの変成層を利用した5接合型ソーラーセルの別の実施形態を表す、本開示の一実施形態のソーラーセルの断面図である。 FIG. 2C corresponds to FIG. 3C of European Patent Publication No. 2610924, showing another five-junction solar cell utilizing two metamorphic layers after an initial stage of manufacturing, including the deposition of specific semiconductor layers on a growth substrate. FIG. 3B is a cross-sectional view of an embodiment of a solar cell of the present disclosure representing the embodiment of FIG.
図2Dは、欧州特許公開第2610924号の図5に対応した、成長基板上への特定半導体層の堆積を含む製造の初期段階後の、1つの変成層を利用した5接合型ソーラーセルを表す、本開示の一実施形態のソーラーセルの断面図である。 FIG. 2D depicts a five-junction solar cell utilizing one metamorphic layer after the initial stages of manufacturing, including the deposition of certain semiconductor layers on a growth substrate, corresponding to FIG. 5 of EP-A-2610924. 1 is a cross-sectional view of a solar cell according to an embodiment of the present disclosure.
図2Eは、欧州特許公開第2610924号の図6に対応した、成長基板上への特定半導体層の堆積を含む製造の初期段階後の、2つの変成層を利用した6接合型ソーラーセルを表す、本開示の一実施形態のソーラーセルの断面図である。 FIG. 2E depicts a six-junction solar cell utilizing two metamorphic layers after an early stage of manufacturing, which corresponds to FIG. 6 of EP 2610924, including the deposition of a particular semiconductor layer on a growth substrate. 1 is a cross-sectional view of a solar cell according to an embodiment of the present disclosure.
図2Aの構造の詳細を以下に説明することになるが、図2B、2C、2D、及び2Eの詳細は類似しており、簡潔のために省略することになる。 Although details of the structure of FIG. 2A will be described below, details of FIGS. 2B, 2C, 2D, and 2E are similar and will be omitted for brevity.
特に図2Aは、GaAs成長基板上への6個のサブセルA、B、C、D、E及びFの連続形成を表す。成長基板上に成長させる一連の層302〜314bは、欧州特許公開第2610924号の図3Aに関連して論じられる層102〜122bに類似しているが、本説明を明確にするために、そのような層を新しい参照番号で記述することを本明細書でも繰り返すことにする。 In particular, FIG. 2A represents the sequential formation of six subcells A, B, C, D, E and F on a GaAs growth substrate. The series of layers 302-314b grown on the growth substrate are similar to layers 102-122b discussed in connection with FIG. 3A of EP 2610924, but for clarity of this description. The description of such layers with new reference numbers will be repeated here.
特に基板301が示されており、好ましくは砒化ガリウム(GaAs)であるが、ゲルマニウム(Ge)又は別の適切な材料の場合もある。GaAsについては、基板は好ましくは15度のオフカット基板であり、つまり、2008年3月13日出願の米国特許出願番号12/047,944号にさらに十分に記載されるようにその表面は(100)面から(111)A面へ15度配向されている。
Ge基板の場合には、核生成層(図示せず)を基板301上に直接堆積させる。基板上に、又は核生成層上に(Ge基板の場合)、バッファ層302とエッチストップ層303とをさらに堆積させる。GaAs基板の場合には、バッファ層302は好ましくはGaAsである。Ge基板の場合には、バッファ層302は好ましくはGaInAsである。その後に、GaAsのコンタクト層304を層303上に堆積させ、AlInPの窓層305をコンタクト層上に堆積させる。n+エミッタ層306a及び306bとp型のベース層307とから成る、構造の上部第1ソーラーサブセルになるサブセルAを、その後で窓層305上にエピタキシャル堆積させる。サブセルAは一般に成長基板301に格子整合している。
In the case of a Ge substrate, a nucleation layer (not shown) is deposited directly on the
多接合型ソーラーセルの構造を、格子定数及び禁制帯幅の要求を条件として、周期律表に記載されるIII〜V族の任意の適切な組み合わせにより形成することができるということに留意されたい。ここでIII族にはホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)及びタリウム(T)が含まれる。IV族には、炭素(C)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、及びスズ(Sn)が含まれる。V族には、窒素(N)、リン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、及びビスマス(Bi)が含まれる。 It should be noted that the structure of the multi-junction solar cell can be formed by any suitable combination of groups III-V listed in the Periodic Table, subject to the requirements of lattice constant and band gap. .. Here, the group III includes boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), and thallium (T). Group IV includes carbon (C), silicon (Si), germanium (Ge), and tin (Sn). Group V includes nitrogen (N), phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), and bismuth (Bi).
一実施形態では、エミッタ層はAlGaInPで構成され、ベース層307はAlGaInPで構成されており、従ってこのサブセルのp/n接合はホモ接合である。特に、エミッタ層は2つの領域、窓層305上に直接成長させたn+型のエミッタ領域306aとエミッタ領域306a上に直接成長させたn型のエミッタ領域306bとで構成される。本開示による異なるエミッタ領域306a及び306bとベース層307のドーピングプロファイルは、欧州特許公開第2610924号にその図20と合わせて説明されている。
In one embodiment, the emitter layer is composed of AlGaInP and the
いくつかの実施形態では、意図的にドープしないAlGaInPで構成されるスペーサ層306cを、その後でn型のエミッタ領域306b上に直接成長させる。
In some embodiments, a
AlGaInPで構成されるベース層307を、スペーサ層306c上に成長させる。
A
いくつかの実施形態では、ベース層307の禁制帯幅は1.92eV以上である。
In some embodiments, the
いくつかの実施形態では、上部第1ソーラーサブセルのベースの禁制帯幅は2.05eV以上である。 In some embodiments, the base band gap of the first upper solar subcell is 2.05 eV or greater.
いくつかの実施形態では、上部第1ソーラーサブセルのエミッタは、ドーピングを3x1018自由キャリア/cm3から1x1018自由キャリア/cm3へと勾配を付けた第1領域と、第1領域上に直接配置されたドーピングが1x1017自由キャリア/cm3で一定である第2領域とから構成される。 In some embodiments, the emitter of the upper first solar subcell has a first region with a doping graded from 3×10 18 free carriers/cm 3 to 1×10 18 free carriers/cm 3 , and directly on the first region. And a second region whose doping is constant at 1×10 17 free carriers/cm 3 .
いくつかの実施形態では、上部第1ソーラーサブセルのエミッタの第1領域は、窓層に直に隣接している。 In some embodiments, the first region of the emitter of the upper first solar subcell is immediately adjacent to the window layer.
いくつかの実施形態では、上部第1ソーラーサブセルのエミッタは80nmの厚さを有している。 In some embodiments, the emitter of the upper first solar subcell has a thickness of 80 nm.
いくつかの実施形態では、上部第1ソーラーサブセルのベースは400nm未満の厚さを有している。 In some embodiments, the base of the upper first solar subcell has a thickness less than 400 nm.
いくつかの実施形態では、上部第1ソーラーサブセルのベースは260nmの厚さを有している。 In some embodiments, the base of the upper first solar subcell has a thickness of 260 nm.
いくつかの実施形態では、上部第1ソーラーサブセルのエミッタ部分は、ドーピングに勾配を付けた第1領域と、ドーピングが一定で第1領域上に直接配置された第2領域とを有する。 In some embodiments, the emitter portion of the upper first solar subcell has a first region with a graded doping and a second region with a constant doping and disposed directly on the first region.
サブセルAは、以下に記述する本発明に従う工程ステップ完了後には、最終的に反転変成型構造の「トップ」サブセルになることになる。 Subcell A will ultimately become the "top" subcell of the inverted deformed structure after completion of the process steps according to the invention described below.
ベース層307の上部には、背面電界(「BSF」)層308の好ましくはp+AlInPを堆積し、再結合損失を低減するために使用する。
A back field (“BSF”)
BSF層308は、ベース/BSF界面近傍の領域から少数キャリアを追い出して再結合損失の影響を最小化する。言い換えれば、BSF層308はソーラーサブセルAの背面での再結合損失を低減して、それによりベースでの再結合を低減する。
The
トンネルダイオード、つまりサブセルAとサブセルB間の電気接続を形成するオーミックな回路要素を形づくる、一連の高濃度にドープされたp型及びn型層の309a及び309bを、BSF層308の上部に堆積する。層309aはp++AlGaAsで構成される場合があり、層309bはn++GaInPで構成される場合がある。
Deposited on top of
トンネルダイオード層309の上部には窓層310を堆積し、好ましくはn+AlInPである。サブセルBで使用される窓層310はまた、界面再結合損失を低減させるように作用する。本開示の範囲から逸脱することなく、付加的な層をセル構造に付加すること、又は除去することが可能であることは当業者には明らかであろう。
A
窓層310の上部には、サブセルBの層、n+型のエミッタ層311及びp型のベース層312を堆積させる。これらの層は、好ましくはそれぞれAlGaAs及びAlGaAsであるが、格子定数及び禁制帯幅の要求と一致する別の適切な材料も同様に使用することができる。このように、サブセルBはGaAs、GaInP、GaInAs、GaAsSb、又はGaInAsNのエミッタ領域と、GaAs、GaInAs、GaAsSb、又はGaInAsNのベース領域とで構成される場合がある。層311及び312のドーピングプロファイルは、欧州特許公開第2610924号の図20Bと合わせて、そこで説明された通りとすることができる。
On top of the
セルBの上部には、BSF層308と同じ機能を果たすBSF層313を堆積させる。p++/n++トンネルダイオード層の314a及び314bをそれぞれBSF層308上に、層309a及び309bと同様に堆積させ、オーミックな回路要素を形成してサブセルBをサブセルCに接続する。層314aはp++AlGaAsで構成される場合があり、層314bはn++GaInPで構成される場合がある。
A
好ましくはn+型のGaInPで構成される窓層315を、その後にトンネルダイオード層314a/314bの上に堆積させる。この窓層は、サブセル「C」での界面再結合損失を低減させるように作用する。本開示の範囲から逸脱することなく、付加的な層をセル構造に付加すること、又は除去することが可能であることは当業者には明らかであろう。
A
窓層315の上部には、サブセルCの層、n+エミッタ層316及びp型のベース層317を堆積させる。これらの層は、好ましくはそれぞれn+型のGaInP及びp+型のGaAsであるが、格子定数及び禁制帯幅の要求と一致する別の適切な材料も同様に使用することができる。層316及び317のドーピングプロファイルは、欧州特許公開第2610924号の図20Bに関連して説明された通りとすることができる。
On top of the
好ましくはAlGaAsで構成されるBSF層318を、その後にセルCの上部に堆積し、そのBSF層はBSF層308及び313と同じ機能を果たす。
A
p++/n++トンネルダイオード層の319a及び319bをそれぞれBSF層318上に、層314a及び314bと同様に堆積させ、オーミックな回路要素を形成してサブセルCをサブセルDに接続する。層319aは好ましくはp++AlGaAsで構成され、層319bはn++GaAsで構成される場合がある。
P++/n++ tunnel diode layers 319a and 319b are deposited on
いくつかの実施形態では、バリア層320は好ましくはn型のGaInPで構成され、トンネルダイオード319a/319b上に約0.5μmの厚さまで堆積させる。貫通転位が成長の反対方向のトップサブセル及びミドルサブセルのA、B及びCの中へ又は成長方向のサブセルDの中へ伝播することを、このようなバリア層が阻止することが意図されており、2007年9月24日出願の同時係属中の米国特許出願番号11/860,183号に詳細に記載されている。
In some embodiments,
第1変成層(又は組成傾斜中間層)321を、バリア層320上に堆積させる。貫通転位の発生を最小化しつつ、半導体構造における格子定数のサブセルCからセルDへの緩やかな遷移を達成するように、層321は好ましくは単調に変化する格子定数を備える、好ましくは組成的に階段状傾斜のついた一連のAlGaInAs層である。層321の禁制帯幅は厚さ全体に亘って一定であり、好ましくはおよそ1.6eVに等しい。組成傾斜中間層の一実施形態はまた、(InxGa1-x)yAl1-yAsで構成されるとして表現することができるが、中間層の禁制帯幅がおよそ1.6eVで一定のままであるようにx及びyを選択する。
A first metamorphic layer (or compositionally graded intermediate layer) 321 is deposited on the
本開示の一実施形態では、随意の第2バリア層322をAlGaInAs変成層321上に堆積させることができる。第2バリア層322は、通常はバリア層320とは異なる組成を有することになり、貫通転位の伝播を阻止するという同じ機能を本質的に果たす。一実施形態では、バリア層322はn+型のGaInPである。
In one embodiment of the present disclosure, an optional
好ましくはn+型のGaInPで構成される窓層323を、その後で第2バリア層上に堆積させる。この窓層は、第4サブセル「D」で再結合損失を低減するように作用する。本開示の範囲から逸脱することなく、付加的な層をセル構造に付加すること、又は除去することが可能であることは当業者には明らかであろう。
A
窓層323の上部には、セルDの層、n+エミッタ層324及びp型のベース層325を堆積させる。これらの層は、好ましくはそれぞれn+型のGaInAs及びp型のGaInAsであるが、格子定数及び禁制帯幅の要求と一致する別の適切な材料も同様に使用することができる。層324及び325のドーピングプロファイルは、欧州特許公開第2610924号の図20Bに関連して説明された通りである。
A layer of the cell D, an
好ましくはp+型のAlGaInAsで構成されるBSF層326を、その後にセルDの上部に堆積し、そのBSF層はBSF層308、313、及び318と同じ機能を果たす。p++/n++トンネルダイオード層の327a及び327bをそれぞれBSF層326上に、層309a/309b及び319a/319bと同様に堆積させ、オーミックな回路要素を形成してサブセルDをサブセルEに接続する。層327aは好ましくはp++AlGaInAsで構成され、層327bは好ましくはn++GaInPで構成される。
A
いくつかの実施形態では、バリア層328は好ましくはn型のGaInPで構成され、トンネルダイオード327a/327b上に約0.5μmの厚さで堆積させる。貫通転位が成長の反対方向のミドルサブセルのB、C及びDの中へ又は成長方向のサブセルEの中へ伝播することを、このようなバリア層が阻止することが意図されており、2007年9月24日出願の同時係属中の米国特許出願番号11/860,183号に詳細に記載されている。
In some embodiments, the
第2変成層(又は組成傾斜中間層)329を、バリア層328上に堆積させる。貫通転位の発生を最小化しつつ、半導体構造における格子定数のサブセルDからサブセルEへの緩やかな遷移を達成するように、層329は好ましくは単調に変化する格子定数を備える、好ましくは組成的に階段状傾斜のついた一連のAlGaInAs層である。いくつかの実施形態では、層329の禁制帯幅はおよそ1.6eVで厚さ全体に亘って一定である。組成傾斜中間層の一実施形態はまた、(InxGa1-x)yAl1-yAsで構成されるとして表現することができるが、中間層の禁制帯幅がおよそ1.6eVで一定のままであるようにx及びyを選択する。
A second metamorphic layer (or compositionally graded intermediate layer) 329 is deposited on the
本開示の一実施形態では、随意の第2バリア層330をAlGaInAs変成層329上に堆積させることができる。第2バリア層は、通常はバリア層328とは異なる組成を有することになり、貫通転位の伝播を阻止するという同じ機能を本質的に果たす。
In one embodiment of the present disclosure, an optional
その後で、好ましくはn+型のGaInPで構成される窓層331を、層329上に配置されるバリア層がある場合には層330上に、そうでない場合には第2変成層329の上に直接堆積させる。この窓層は、第5サブセル「E」での界面再結合損失を低減させるように作用する。本開示の範囲から逸脱することなく、付加的な層をセル構造に付加すること、又は除去することが可能であることは当業者には明らかであろう。
Thereafter, a
窓層331の上部には、セルEの層、n+エミッタ層332及びp型ベース層333を堆積させる。これらの層は、好ましくはそれぞれn+型のGaInAs及びp型のGaInAsで構成されるが、格子定数及び禁制帯幅の要求と一致する別の適切な材料も同様に使用することができる。層332及び333のドーピングプロファイルは、欧州特許公開第2610924号でその図20Bに関連して説明された通りとすることができる。
On the
好ましくはp+型のAlGaInAsで構成されるBSF層334を、その後にセルEの上部に堆積し、そのBSF層はBSF層308、313、318、及び326と同じ機能を果たす。
A
p++/n++トンネルダイオード層の335a及び335bをそれぞれBSF層334上に、層309a/309b及び319a/319bと同様に堆積させ、オーミックな回路要素を形成してサブセルEをサブセルFに接続する。層335aは好ましくはp++AlGaInAsで構成され、層335bは好ましくはn++GaInPで構成される。
P++/n++ tunnel diode layers 335a and 335b, respectively, are deposited on
いくつかの実施形態では、バリア層336は好ましくはn型のGaInPで構成され、トンネルダイオード335a/335b上に約0.5μmの厚さで堆積させる。貫通転位が成長の反対方向のミドルサブセルのD及びEの中へ又は成長方向のサブセルFの中へ伝播することを、このようなバリア層が阻止することが意図されており、2007年9月24日出願の同時係属中の米国特許出願番号11/860,183号に詳細に記載されている。
In some embodiments, the
第3変成層(又は組成傾斜中間層)337を、バリア層336上に堆積させる。貫通転位の発生を最小化しつつ、半導体構造における格子定数のサブセルEからサブセルFへの緩やかな遷移を達成するように、層337は好ましくは単調に変化する格子定数を備える、好ましくは組成的に階段状傾斜のついた一連のAlGaInAs層である。いくつかの実施形態では、層337の禁制帯幅は1.1eVで厚さ全体に亘って一定である。組成傾斜中間層の一実施形態はまた、(InxGa1-x)yAl1-yAsで構成されるとして表現することができるが、中間層の禁制帯幅がおよそ1.1eV又は別の適切な禁制帯幅で一定のままであるようにx及びyを選択する。
A third metamorphic layer (or compositionally graded intermediate layer) 337 is deposited on the
本開示の一実施形態では、随意の第2バリア層(図示せず)をAlGaInAs変成層337上に堆積させることができる。第2バリア層は通常はバリア層336とは異なる組成を有することになり、貫通転位の伝播を阻止するという同じ機能を本質的に果たす。
In one embodiment of the present disclosure, an optional second barrier layer (not shown) can be deposited on the AlGaInAs
その後で、好ましくはn+型のAlGaInAsで構成される窓層338を、層337上にバリア層が配置される場合には第2バリア層上に、そうでない場合には第2変成層337の上に直接堆積させる。この窓層は、第6サブセル「F」での界面再結合損失を低減させるように作用する。本開示の範囲から逸脱することなく、付加的な層をセル構造に付加すること、又は除去することが可能であることは当業者には明らかであろう。
Thereafter, a
窓層338の上部には、セルFの層、n+エミッタ層339及びp型のベース層340を堆積させる。これらの層は、好ましくはそれぞれn+型のGaInAs及びp型のGaInAsで構成されるが、格子定数及び禁制帯幅の要求と一致する別の適切な材料も同様に使用することができる。層339及び340のドーピングプロファイルは、欧州特許公開第2610924号でその図20Bに関連して説明された通りとすることができる。
On top of the
好ましくはp+型のAlGaInAsで構成されるBSF層341を、その後にセルFの上部に堆積し、そのBSF層はBSF層308、313、326、及び334と同じ機能を果たす。
A
最終的には、好ましくはp++型のAlGaInAsで構成される高い禁制帯幅のコンタクト層342をBSF層341上に堆積させる。
Finally, a high forbidden
多接合型光起電力セルで最も低い禁制帯幅の光起電力セル(つまり、図示された実施形態のサブセル「F」)の底(非照射)側に設置されたこのコンタクト層342の構成を、セルを通過する光の吸収を低減させるように作ることができ、その結果(i)セル下(非照射側)の裏面オーミック金属コンタクト層がミラー層としても機能することになり、(ii)吸収を阻止するためにこのコンタクト層を選択的にエッチング除去する必要がない。
The structure of this
本発明の範囲から逸脱することなく、付加的な層をセル構造に付加すること、又は除去することが可能であることは当業者には明らかであろう。 It will be apparent to those skilled in the art that additional layers can be added or removed from the cell structure without departing from the scope of the invention.
例示された実施形態による多接合型ソーラーセルの製造でその後に残るステップは、コンタクト層上に金属被覆の堆積と代用基板の付着とを含み、欧州特許公開第2610924号でその図7及びそれ以降の図に関連して説明され示された通りとすることができる。 The remaining steps in the fabrication of the multi-junction solar cell according to the illustrated embodiment include depositing a metallization on the contact layer and depositing a surrogate substrate, as shown in European Patent Publication No. 2610924, FIG. 7 and thereafter. Can be as described and shown in connection with the figure.
本開示の説明された実施形態は、4、5、又は6個のサブセルの垂直方向積層を利用するが、本開示の種々の態様及び特徴は、より少ない又はより多い数のサブセル、つまり2接合セル、3接合セル、7接合セルなどを備える積層に適用することが可能である。7個又はそれ以上の接合セルの場合には、3層以上の変成組成傾斜中間層も利用することができる。 Although the described embodiments of the present disclosure utilize vertical stacking of 4, 5, or 6 subcells, various aspects and features of the present disclosure include fewer or more subcells, i.e., two junctions. It can be applied to a stack including cells, three-junction cells, seven-junction cells, and the like. In the case of 7 or more junction cells, 3 or more metamorphic graded interlayers may also be utilized.
さらに、開示された実施形態は、最上部及び底部の電気的コンタクトを用いて構成されるが、代わりに、サブセル間の横方向に導電性のある半導体層への金属コンタクトでサブセルを連結させることができる。そのような配置を、3端子、4端子、及び一般にn端子素子を形成するために利用することができる。光発生電流密度は通常種々のサブセルで異なっているにもかかわらず、各サブセルでの利用可能な光発生電流密度の大部分を効率的に利用して、多接合型セルに対して高効率をもたらすように、これらの付加的な端子を使用して回路においてサブセルを相互接続することができる。 Further, the disclosed embodiments are configured with top and bottom electrical contacts, but instead connect the subcells with metal contacts to the laterally conductive semiconductor layers between the subcells. You can Such an arrangement can be utilized to form 3-terminal, 4-terminal, and generally n-terminal devices. Although photogenerated current densities are usually different in different subcells, most of the available photogenerated current density in each subcell is effectively utilized to provide high efficiency for multijunction cells. These additional terminals may be used to interconnect subcells in the circuit, as provided.
本開示で記述されるソーラーセルを反転変成多接合型ソーラーセルでの具体例として図示及び説明してきたが、本発明の精神から全く逸脱することなく種々の修正及び構造的な変更を行うことができるので、示された詳細内容に限定されることは意図されていない。 Although the solar cell described in this disclosure has been illustrated and described as an example of an inverted metamorphic multijunction solar cell, various modifications and structural changes may be made without departing from the spirit of the invention. However, it is not intended to be limited to the details shown.
従って、本開示に記載する半導体素子の説明は、主としてソーラーセル又は光起電力素子に焦点を合わせてきたが、熱光起電力(TPV)セル、受光素子及び発光ダイオードなどの他の光電子素子は、ドーピング及び少数キャリア寿命のいくらかの小さな変化はあるが、構造、物理、及び材料において光起電力素子に類似していることを当業者は知っている。例えば、受光素子を前述の光起電力素子と同じ材料及び構造にすることができるが、おそらくは電力生成ではなくて感度のためにより低濃度のドープとなる。一方、LEDも同じ材料及び構造で作ることができるが、おそらくは再結合時間、従って電力の代わりに光を生成する放射寿命を短縮するために高濃度のドープとなる。それゆえ、本発明はまた、光起電力セルに関して前述した構造、物質の組成、製造用品及び改善点を用いて、受光素子及びLEDにも適用される。 Therefore, while the description of semiconductor devices described in this disclosure has focused primarily on solar cells or photovoltaic devices, other optoelectronic devices such as thermophotovoltaic (TPV) cells, light receiving devices and light emitting diodes have been described. Those skilled in the art know that, with some minor changes in doping and minority carrier lifetime, they are similar to photovoltaic devices in structure, physics, and materials. For example, the light receiving element can be of the same material and structure as the photovoltaic element described above, but perhaps more lightly doped for sensitivity rather than power generation. LEDs, on the other hand, can be made of the same materials and structures, but are probably heavily doped to reduce the recombination time and thus the radiative lifetime that produces light instead of power. Therefore, the present invention also applies to light receiving devices and LEDs using the structures, material compositions, manufacturing supplies and improvements described above for photovoltaic cells.
102 バッファ層
103 エッチストップ層
104 コンタクト層
105 窓層
106 n+型エミッタ層
107 p型ベース層
108 BSF層
109a p++トンネルダイオード
109b n++トンネルダイオード
110 窓層
111 n+型エミッタ層
112 p型ベース層
113 BSF層
114a p++トンネルダイオード
114b n++トンネルダイオード
115 バリア層
116 変成層
117 バリア層
118 窓層
119 n+型エミッタ層
120 p型ベース層
121 BSF層
122a p++トンネルダイオード
122b n++トンネルダイオード
123 バリア層
124 変成層
125 窓層
126 n+型エミッタ層
127 p型ベース層
128 BSF層
129 p++型コンタクト層
130 金属コンタクト層
131 接着層
132 代用基板
102
Claims (9)
前記上部第1ソーラーサブセルに隣接して前記第1禁制帯幅より小さい第2禁制帯幅を有する第2ソーラーサブセル(セルB)と、
前記第2ソーラーサブセルに隣接する第1組成傾斜中間層(116)であって、該第1組成傾斜中間層は前記第2禁制帯幅より大きい第3禁制帯幅を有し、該第3禁制帯幅は該第1組成傾斜中間層の厚さ全体に亘って一定である、第1組成傾斜中間層と、
前記第1組成傾斜中間層に隣接する第3ソーラーサブセル(セルC)であって、該第3ソーラーサブセルは前記第2禁制帯幅より小さい第4禁制帯幅を有し、該第3ソーラーサブセルは前記第2ソーラーサブセルに対して格子不整合である、第3ソーラーサブセルと、
を備え、
前記第1組成傾斜中間層は、半導体構造における格子定数の前記第2ソーラーサブセルから前記第3ソーラーサブセルへの緩やかな遷移を達成するように、厚さ全体に亘って1.6eV±3%の禁制帯幅を有することを特徴とする、多接合型ソーラーセル。 An upper first solar subcell (cell A) having a first forbidden band,
A second solar subcell (cell B) adjacent to the upper first solar subcell and having a second forbidden band width smaller than the first forbidden band width;
A first compositionally graded intermediate layer (116) adjacent to the second solar subcell, the first compositionally graded intermediate layer having a third forbidden band width greater than the second forbidden band width and the third forbidden band. A band width that is constant over the entire thickness of the first composition-graded intermediate layer;
Third A solar subcell (cell C) adjacent to the first composition graded interlayer, said third solar subcell having a second band gap smaller than the fourth band gap, said third solar subcell A third solar subcell, which is lattice mismatched to the second solar subcell,
Equipped with
The first compositionally graded intermediate layer has a thickness of 1.6 eV±3% over its entire thickness to achieve a gradual transition of the lattice constant in the semiconductor structure from the second solar subcell to the third solar subcell. A multi-junction solar cell characterized by having a forbidden band width.
前記第2組成傾斜中間層に隣接する第4ソーラーサブセルであって、該第4ソーラーサブセルは前記第4禁制帯幅より小さい第6禁制帯幅を有し、該第4ソーラーサブセルは前記第3ソーラーサブセルに対して格子不整合である、第4ソーラーサブセルと、
をさらに備える、請求項1に記載の多接合型ソーラーセル。 A second compositionally graded intermediate layer (124) adjacent to the third solar subcell, the second compositionally graded intermediate layer having a fifth forbidden band width greater than the fourth forbidden band width and a lattice in a semiconductor structure. The fifth forbidden band width is approximately 1.1 eV across the thickness of the second compositionally graded intermediate layer to achieve a gradual transition from the third solar subcell to the fourth solar subcell. A second compositionally graded intermediate layer that is constant;
Fourth a solar sub cell Le adjacent the second composition graded intermediate layer, fourth solar subcell having a fourth band gap smaller than the sixth band gap, the fourth solar subcell is the first A fourth solar subcell, which is lattice mismatched to the three solar subcells,
The multijunction solar cell according to claim 1, further comprising:
前記第2組成傾斜中間層に隣接する第5ソーラーサブセル(図2BのセルE)であって、
前記下部第5ソーラーサブセルは前記第5禁制帯幅より小さい第7禁制帯幅を有し、該第5ソーラーサブセルは前記第4ソーラーサブセルに対して格子不整合である、第5ソーラーサブセルと、
をさらに備える、請求項2に記載の多接合型ソーラーセル。 A second compositionally graded intermediate layer adjacent to the fourth solar subcell, wherein the second compositionally graded intermediate layer has a sixth forbidden band width greater than the fifth forbidden band width, and the sixth forbidden band width is A second compositionally graded intermediate layer, which is constant at approximately 1.1 eV over the entire thickness of the second compositionally graded intermediate layer,
A fifth solar subcell (cell E in FIG. 2B) adjacent to the second compositionally graded intermediate layer,
A fifth solar subcell, wherein the lower fifth solar subcell has a seventh forbidden band width smaller than the fifth forbidden band width, the fifth solar subcell being lattice mismatched to the fourth solar subcell;
The multi-junction solar cell according to claim 2, further comprising:
前記上部第1ソーラーサブセルに隣接して前記第1禁制帯幅より小さい第2禁制帯幅を有する第2ソーラーサブセル(セルB)と、
前記第2ソーラーサブセルに隣接する第3ソーラーサブセル(図2DのセルC)であって、該第3ソーラーサブセルは前記第2禁制帯幅より小さい第3禁制帯幅を有し、該第3ソーラーサブセルは前記第2ソーラーサブセルに対して格子整合である、第3ソーラーサブセルと、
前記第3ソーラーサブセルに隣接する第1組成傾斜中間層(521)であって、該第1組成傾斜中間層は前記第3禁制帯幅より大きい第4禁制帯幅を有し、該第4禁制帯幅は該第1組成傾斜中間層の厚さ全体に亘って一定である、第1組成傾斜中間層と、
前記第1組成傾斜中間層に隣接する第4ソーラーサブセル(図2DのセルD)であって、該第4ソーラーサブセルは前記第3禁制帯幅より小さい第4禁制帯幅を有し、該第4ソーラーサブセルは前記第3ソーラーサブセルに対して格子不整合である、第4ソーラーサブセルと、
前記第4ソーラーサブセルに隣接する第5ソーラーサブセル(図2DのセルE)であって、該第5ソーラーサブセルは前記第5禁制帯幅より小さい第6禁制帯幅を有し、該第5ソーラーサブセルは前記第4ソーラーサブセルに対して格子整合である、第5ソーラーサブセルと、
前記第5ソーラーサブセルに隣接する第2組成傾斜中間層であって、該第2組成傾斜中間層は前記第6禁制帯幅より大きい第7禁制帯幅を有し、該第7禁制帯幅は該第2組成傾斜中間層の厚さ全体に亘って一定である、第2組成傾斜中間層と、
前記第2組成傾斜中間層に隣接する第6ソーラーサブセル(図2DのセルF)であって、該第6ソーラーサブセルは前記第6禁制帯幅より小さい第8禁制帯幅を有し、該第6ソーラーサブセルは前記第4ソーラーサブセルに対して格子不整合である、第6ソーラーサブセルと、
を備え、
前記第1組成傾斜中間層は該第1組成傾斜中間層の厚さ全体に亘って1.6eV±3%の禁制帯幅を有することを特徴とする、多接合型ソーラーセル。 An upper first solar subcell (cell A) having a first forbidden band,
A second solar subcell (cell B) adjacent to the upper first solar subcell and having a second forbidden band width smaller than the first forbidden band width;
A third solar subcell (cell C in FIG. 2D) adjacent to the second solar subcell, the third solar subcell having a third forbidden band width smaller than the second forbidden band width, and the third solar subcell. A third solar subcell, the subcell being lattice matched to the second solar subcell;
A first compositionally graded intermediate layer (521) adjacent to the third solar subcell, the first compositionally graded intermediate layer having a fourth forbidden band width greater than the third forbidden band width; A band width that is constant over the entire thickness of the first composition-graded intermediate layer;
A fourth solar subcell (cell D in FIG. 2D) adjacent to the first compositionally graded intermediate layer, the fourth solar subcell having a fourth forbidden band width less than the third forbidden band width. A fourth solar subcell, the fourth solar subcell being lattice mismatched to the third solar subcell;
A fifth solar subcell (cell E in FIG. 2D) adjacent to the fourth solar subcell, the fifth solar subcell having a sixth forbidden band width less than the fifth forbidden band width, and the fifth solar subcell. A fifth solar subcell, the subcell being lattice matched to the fourth solar subcell;
A second compositionally graded intermediate layer adjacent to the fifth solar subcell, wherein the second compositionally graded intermediate layer has a seventh forbidden band width greater than the sixth forbidden band width, and the seventh forbidden band width is A second composition gradient intermediate layer, which is constant over the entire thickness of the second composition gradient intermediate layer;
A sixth solar subcell (cell F in FIG. 2D) adjacent to the second compositionally graded intermediate layer, the sixth solar subcell having an eighth forbidden band width smaller than the sixth forbidden band width, A sixth solar subcell, which is lattice mismatched to the fourth solar subcell, and a sixth solar subcell,
Equipped with
The multi-junction solar cell, wherein the first compositionally graded intermediate layer has a forbidden band width of 1.6 eV±3% over the entire thickness of the first compositionally graded intermediate layer.
前記上部第1ソーラーサブセルに隣接して前記第1禁制帯幅より小さい第2禁制帯幅を有する第2ソーラーサブセル(セルB)と、
前記第2ソーラーサブセルに隣接する第3ソーラーサブセル(図2EのセルC)であって、該第3ソーラーサブセルは前記第2禁制帯幅より小さい第3禁制帯幅を有し、該第3ソーラーサブセルは前記第2ソーラーサブセルに対して格子整合である、第3ソーラーサブセルと、
前記第3ソーラーサブセルに隣接する第1組成傾斜中間層(321)であって、該第1組成傾斜中間層は前記第3禁制帯幅より大きい第4禁制帯幅を有し、該第4禁制帯幅は該1組成傾斜中間層の厚さ全体に亘って一定である、第1組成傾斜中間層と、
前記第1組成傾斜中間層に隣接する第4ソーラーサブセル(図2EのセルD)であって、該第4ソーラーサブセルは前記第3禁制帯幅より小さい第4禁制帯幅を有し、該第4ソーラーサブセルは前記第3ソーラーサブセルに対して格子不整合である、第4ソーラーサブセルと、
前記第4ソーラーサブセルに隣接する第2組成傾斜中間層(329)であって、該第2組成傾斜中間層は前記第5禁制帯幅より大きい第6禁制帯幅を有し、半導体構造における格子定数の前記第4ソーラーサブセルから第5ソーラーサブセルへの緩やかな遷移を達成するように、第6禁制帯幅が該2組成傾斜中間層の厚さ全体に亘って一定である、第2組成傾斜中間層と、
前記第2組成傾斜中間層に隣接する第5ソーラーサブセル(図2EのセルE)であって、該第5ソーラーサブセルは前記第5禁制帯幅より小さい第7禁制帯幅を有し、該第5ソーラーサブセルは前記第4ソーラーサブセルに対して格子不整合である、第5ソーラーサブセルと、
前記第5ソーラーサブセルに隣接する第3組成傾斜中間層(337)であって、該第3組成傾斜中間層は前記第7禁制帯幅より大きい第8禁制帯幅を有し、該第8禁制帯幅が該第3組成傾斜中間層の厚さ全体に亘って一定である、第3組成傾斜中間層と、
前記第3組成傾斜中間層に隣接する第6ソーラーサブセル(図2EのセルF)であって、該第6ソーラーサブセルは前記第7禁制帯幅より小さい第9禁制帯幅を有し、該第6ソーラーサブセルは前記第5ソーラーサブセルに対して格子不整合である、第6ソーラーサブセルと、
を備え、
半導体構造における格子定数の前記第3ソーラーサブセルから前記第4ソーラーサブセルへの緩やかな遷移を達成するように、前記第1組成傾斜中間層は厚さ全体に亘って1.6eV±3%の禁制帯幅を有することを特徴とする、多接合型ソーラーセル。 An upper first solar subcell (cell A) having a first forbidden band,
A second solar subcell (cell B) adjacent to the upper first solar subcell and having a second forbidden band width smaller than the first forbidden band width;
A third solar subcell (cell C in FIG. 2E) adjacent to the second solar subcell, the third solar subcell having a third forbidden band width smaller than the second forbidden band width, and the third solar subcell. A third solar subcell, the subcell being lattice matched to the second solar subcell;
A first compositionally graded intermediate layer (321) adjacent to the third solar subcell, the first compositionally graded intermediate layer having a fourth forbidden band width greater than the third forbidden band width, and the fourth forbidden band. A first composition gradient intermediate layer having a constant band width over the entire thickness of the first composition gradient intermediate layer;
A fourth solar subcell (cell D in FIG. 2E) adjacent to the first composition graded intermediate layer, the fourth solar subcell having a fourth forbidden band width less than the third forbidden band width, A fourth solar subcell, the fourth solar subcell being lattice mismatched to the third solar subcell;
A second composition graded intermediate layer (329) adjacent to the fourth solar subcell, the second composition graded intermediate layer having a sixth forbidden band width greater than the fifth forbidden band width, and a lattice in a semiconductor structure. A second composition gradient, wherein the sixth forbidden band width is constant throughout the thickness of the two composition gradient intermediate layer so as to achieve a gradual transition of the constant from the fourth solar subcell to the fifth solar subcell. The middle layer,
A fifth solar subcell (cell E in FIG. 2E) adjacent to the second compositionally graded intermediate layer, the fifth solar subcell having a seventh forbidden band width less than the fifth forbidden band width, A fifth solar subcell, the fifth solar subcell being lattice mismatched to the fourth solar subcell;
A third compositionally graded intermediate layer (337) adjacent to the fifth solar subcell, wherein the third compositionally graded intermediate layer has an eighth forbidden band width greater than the seventh forbidden band width, and the eighth forbidden band. A third composition gradient intermediate layer having a band width that is constant over the entire thickness of the third composition gradient intermediate layer;
A sixth solar subcell (cell F in FIG. 2E) adjacent to the third compositionally graded intermediate layer, wherein the sixth solar subcell has a ninth forbidden band width that is less than the seventh forbidden band width. A sixth solar subcell, which is lattice mismatched to the fifth solar subcell, and a sixth solar subcell,
Equipped with
In order to achieve a gradual transition of the lattice constant in the semiconductor structure from the third solar subcell to the fourth solar subcell, the first compositionally graded intermediate layer has a 1.6 eV±3% forbidden thickness over its thickness. A multi-junction solar cell characterized by having a band width.
第1基板(101)を準備するステップと、
前記第1基板上に第1禁制帯幅を有する上部第1ソーラーサブセル(セルA)を形成するステップと、
前記上部第1ソーラーサブセル上に、前記第1禁制帯幅より小さい第2禁制帯幅を有する第2ソーラーサブセル(セルB)を形成するステップと、
前記第2ソーラーサブセルに隣接して第1組成傾斜中間層(116)を形成するステップであって、該第1組成傾斜中間層は前記第2禁制帯幅より大きい第3禁制帯幅を有し、該第3禁制帯幅が該第1組成傾斜中間層の厚さ全体に亘って一定である、第1組成傾斜中間層を形成するステップと、
前記第1組成傾斜中間層に隣接して第3ソーラーサブセル(セルC)を形成するステップであって、該第3ソーラーサブセルは前記第2禁制帯幅より小さい第4禁制帯幅を有し、該第3ソーラーサブセルは前記第2ソーラーサブセルに対して格子不整合である、第3ソーラーサブセルを形成するステップと、
前記第3ソーラーサブセルに隣接して第2組成傾斜中間層(124)を形成するステップであって、該第2組成傾斜中間層は前記第4禁制帯幅より大きい第5禁制帯幅を有し、該第5禁制帯幅が該第2組成傾斜中間層の厚さ全体に亘っておよそ1.1eVで一定である、第2組成傾斜中間層を形成するステップと、
前記第2組成傾斜中間層に隣接して下部第4ソーラーサブセル(セルD)を形成するステップであって、該下部第4ソーラーサブセルは前記第4禁制帯幅より小さい第6禁制帯幅を有し、該第4ソーラーサブセルは前記第3ソーラーサブセルに対して格子不整合である、下部第4ソーラーサブセルを形成するステップと、
第4ソーラーサブセルの最上部に代用基板(132)を取り付けるステップと、
前記第1基板(101)を除去するステップと、
を含み、
半導体構造における格子定数の前記第2ソーラーサブセルから前記第3ソーラーサブセルへの緩やかな遷移を達成するように、前記第1組成傾斜中間層は厚さ全体に亘って1.6eV±3%の禁制帯幅を有することを特徴とする、ソーラーセルの製造方法。 A method of manufacturing a solar cell,
Preparing a first substrate (101),
Forming an upper first solar subcell (cell A) having a first forbidden band width on the first substrate;
Forming a second solar subcell (cell B) having a second forbidden band width smaller than the first forbidden band width on the upper first solar subcell;
Forming a first compositionally graded intermediate layer (116) adjacent to the second solar subcell, the first compositionally graded intermediate layer having a third forbidden band width greater than the second forbidden band width. Forming a first compositionally graded intermediate layer, wherein the third forbidden band width is constant throughout the thickness of the first compositionally graded intermediate layer;
Forming a third solar subcell (cell C) adjacent to the first compositionally graded intermediate layer, the third solar subcell having a fourth forbidden band width smaller than the second forbidden band width; Forming a third solar subcell, wherein the third solar subcell is lattice mismatched to the second solar subcell;
Forming a second compositionally graded intermediate layer (124) adjacent to the third solar subcell, the second compositionally graded intermediate layer having a fifth forbidden band width greater than the fourth forbidden band width. Forming a second compositionally graded intermediate layer, wherein the fifth forbidden band width is constant at approximately 1.1 eV throughout the thickness of the second compositionally graded intermediate layer;
Forming a lower fourth solar subcell (cell D) adjacent to the second composition graded intermediate layer, the lower fourth solar subcell having a sixth forbidden band width smaller than the fourth forbidden band width. Forming a lower fourth solar subcell, the fourth solar subcell being lattice mismatched to the third solar subcell.
Attaching a surrogate substrate (132) to the top of the fourth solar subcell;
Removing the first substrate (101),
Including,
In order to achieve a gradual transition of the lattice constant in the semiconductor structure from the second solar subcell to the third solar subcell, the first compositionally graded intermediate layer has a 1.6 eV±3% forbidden thickness over its thickness. A method for manufacturing a solar cell, which has a band width.
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